可编程式自动控制柔性叶轮叶片

本发明涉及流体机械领域，尤其涉及一种可编程式自动控制柔性叶轮叶片。

背景技术：

1、流体机械是以流体为工作介质与能量载体的机械设备，广泛应用于工业生产、能源动力、环境保护等领域。流体机械的核心工作部件是叶轮，通常用于将流体的动能转换为机械能或者将机械能转换为流体的动能。但受限于流体机械叶轮制造过程，传统流体机械叶轮通常经过焊接成型或铸造成型，使得叶轮整体刚度较大，叶片为刚性叶片，一旦工作环境或生产需求改变，便需要更换叶轮，因此产生了叶轮叶片无法弯曲伸展、叶片无法扭转、叶片无法张大缩小以及叶轮轮毂锥度无法改变等形变问题，在实验研究不同叶轮特征的工作性质时，又不得不对叶轮进行更换和再设计。以上问题不仅使单一叶轮的适用范围受限，还使生产灵活性和企业存活率降低，并迫使流体机械不断针对单一工作环境更新迭代，增加了生产和维护成本，限制和阻碍了流体机械的研究和发展。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种可编程式自动控制柔性叶轮叶片，通过对该柔性叶轮叶片的传动和控制系统的设计，避免了叶轮叶片无法弯曲伸展、叶片无法扭转、叶片无法张大缩小以及叶轮轮毂锥度无法改变等形变问题，该柔性叶轮叶片中的主动球关节采用球齿轮和伺服电机控制实现传动，其柔性叶片独有的叶片骨架结构，可令柔性叶片姿态形状一定程度上自由变化，叶轮轮毂的设计上采用了锥度变形装置，能够改变叶轮轮毂的锥度，通过锥度变化使叶片倾斜不同角度，最后提出了该柔性叶轮叶片的控制方案，极大提高了叶轮的适用范围，尤其为实验研究减少大量时间及经济成本，生产上提高了生产效率和运行稳定性，增大了流体机械的工作区间及使用寿命。

2、本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

3、一种可编程式自动控制柔性叶轮叶片，包括柔性轮毂、锥度变形装置、柔性叶片，所述柔性轮毂的内圈连接所述锥度变形装置，所述柔性轮毂的外圈设有若干个所述柔性叶片，所述柔性轮毂的壁面材料具有弹性，所述锥度变形装置可通过其机构的位置变化使所述柔性轮毂的锥度发生变化，从而实现叶轮叶片根部倾斜角度改变，所述柔性叶片由骨架和外部包裹层复合而成，所述外包裹层使用弹性材质制成，所述骨架可伸缩和扭转，使得单一叶片在控制系统作用下产生长度、宽度、厚度、角度的形状参数变化。

4、进一步的，所述柔性轮毂由轮毂外圈、轮毂内圈、柔性侧壁构成；

5、所述柔性轮毂为同心圆结构，所述轮毂外圈和所述轮毂内圈通过所述柔性侧壁连接，所述轮毂内圈内设轮毂孔，所述轮毂孔具有键槽并能通过键与传动轴配合实现传动，所述柔性侧壁采用具有伸展性能的弹性材料制成。

6、进一步的，所述锥度变形装置由支撑外圈、支撑内圈、内啮合齿轮、外啮合齿轮、变形伸缩机构构成；

7、所述支撑外圈和所述支撑内圈通过所述变形伸缩机构、所述内啮合齿轮和所述外啮合齿轮的相互配合实现连接和变形，所述外啮合齿轮间隔的设置在所述支撑内圈的外缘，所述外啮合齿轮与所述内啮合齿轮的啮合传动能改变所述变形伸缩机构的位置；

8、所述支撑外圈为伸展性弹性圆环，所述支撑内圈为刚性圆环，

9、当所述变形伸缩机构由初态位置转变为终态位置时，所述支撑外圈发生扩张性形变，该过程使所述柔性侧壁受力而伸展，从而改变叶轮轮毂的锥度。

10、进一步的，所述变形伸缩机构沿着所述支撑内圈的外缘均匀间隔设置若干个，所述变形伸缩机构由内圈转动副、主动杆、中间转动副、从动杆、外圈转动副构成；

11、所述内圈转动副和所述外啮合齿轮固定连接并随之转动，所述主动杆的一端连接所述内圈转动副，另一端连接所述中间转动副，所述从动杆一端连接所述中间转动副，另一端连接所述外圈转动副，所述外圈转动副和所述支撑外圈固定连接并能够使所述从动杆发生从属性转动，所述中间转动副为限位铰链，当所述主动杆与所述从动杆共线时是其极限位置。

12、进一步的，所述柔性叶片由柔性叶片外层、叶片骨架构成；

13、所述柔性叶片外层采用伸展性的弹性材料制成，所述叶片骨架被所述柔性叶片外层包裹，且所述叶片骨架可在柔性叶片外层内伸缩或者扭转并改变所述柔性叶片外层的形状，所述叶片骨架间隔的设于所述柔性侧壁的外壁面。

14、进一步的，所述叶片骨架为伸缩杆体和关节共同组成的柔性网状结构，所述伸缩杆体包括所述丝杆、所述丝杆伸缩缸体，所述丝杆表面具有螺旋沟槽结构，所述丝杆的两端分别和所述丝杆伸缩缸体的螺旋开口位置连接，所述叶片骨架沿其顶部到底部分为至少五层横杆，沿其宽度方向分为至少三层纵杆，每层所述横杆由至少两个所述伸缩杆体组成，每层所述纵杆由至少四个所述伸缩杆体组成，所述纵杆和所述横杆交错联结成网状结构，所述伸缩缸体的非螺旋开口端与所述关节连接，所述关节包括主动球关节和从动球关节，所述主动球关节设于所述叶片骨架的边角和所述叶片骨架边缘的奇数层位置，所述主动球关节能够在电机的驱动下改变所述伸缩缸体的空间位置，所述从动球关节设于未被主动球关节占用的位置。

15、进一步的，所述主动球关节由筒杆固定球、球形转动杆、主动齿轮、主动球关节壳体、电源数据线引入孔、球齿轮、齿轮旋转副、齿轮侧转副构成，所述球齿轮是分度圆直径相互垂直的两个相同大小的齿轮截面通过旋转交汇所形成的球体，所述球齿轮的外表面具有两个方向维度的轮齿，分为第一轮齿和第二轮齿，所述球齿轮和所述主动齿轮啮合，所述主动齿轮分为一号主动齿轮和二号主动齿轮，所述一号主动齿轮与所述第一轮齿啮合，所述二号主动齿轮所述第二轮齿啮合，所述齿轮旋转副可驱动所述主动齿轮旋转，从而将动力传递给所述球齿轮，所述主动齿轮也可在所述球齿轮的运动下作出相应啮合反转，初始时，所述一号主动齿轮与所述第一轮齿啮合沿第一方向啮合，所述二号主动齿轮所述第二轮齿沿第二方向啮合，所述第一方向和所述第二方向的夹角为90°，所述齿轮侧转副可改变所述主动齿轮的啮合方向，所述一号主动齿轮在所述齿轮侧转副的驱动能侧转90°，此时所述一号主动齿轮由第二方向啮合转变为第二方向啮合，所述二号主动齿轮受到所述球齿轮的作用而发生从动，所述二号主动齿轮的齿轮旋转副和所述齿轮侧转副发生反转且所述二号主动齿轮啮合方向由第二方向啮合转变为第二方向啮合，所述齿轮旋转副、所述齿轮侧转副可作为主动件或从动件，但主动件仅同时存在于一号主动齿轮或二号主动齿轮上，所述齿轮侧转副的非旋转部分一端固定在主动球关节壳体内壁上，另一端与齿轮旋转副的非旋转部分连接；所述球形转动杆均匀间隔安装在主动球关节壳体外表面，数量为三根或两根，所述球形转动杆的一端连接所述主动球关节并且该端为半球形齿轮，结构与球齿轮相同，另一端连接所述筒杆固定球，所述筒杆固定球与所述球形转动杆连接形成球状棒槌形连杆，用于连接所述伸缩杆体，所述主动球关节壳体为所述主动球关节传动装置和线路的保护壳体，所述主动球关节壳体设有通过电源数据线的电源数据线引入孔和若干个用于连接所述球形转动杆的缺口，所述电源数据线引入孔为所述主动球关节壳体的贯穿孔。

16、进一步的，所述丝杆伸缩缸体由筒杆转动副、轴承端盖、丝杆电机、丝杆缸、丝杆滚珠、滚动轴承、筒杆构成；所述筒杆转动副与所述筒杆固定球连接，起到连接所述关节和所述伸缩杆体的作用，所述丝杆缸内筒具有螺纹，其螺纹开口端与所述丝杆连接，所述螺纹底部设有所述丝杆电机，所述丝杆电机能够推动所述丝杆在所述丝杆缸内运动，该运动通过若干个所述丝杆滚珠作为媒介，所述丝杆滚珠位于所述丝杆与所述丝杆缸之间的沟槽内，起到改变所述丝杆运动方向和减小摩擦的作用，所述轴承端盖为圆锥形盖体，通过与所述丝杆缸的配合实现对所述滚动轴承的封闭，所述轴承端盖与所述丝杆缸均设有通孔，用于配合所述滚动轴承和所述支撑筒杆引入电源数据线，所述筒杆为圆筒结构且内有电源数据线通过。

17、进一步的，所述丝杆电机由推动板、伺服电机、电机辐板、滚动轴、滑动齿轮构成，所述推动板设于所述丝杆电机靠近所述丝杆的一端，所述推动板的截面形状小于所述丝杆缸内筒截面，所述推动板靠近所述丝杆的一面是工作面，所述伺服电机紧贴所述推动板的非工作面，所述伺服电机周身设有若干个间隔分布的电机辐板，所述电机辐板设有所述滚动轴，所述滚动轴与所述伺服电机连接并受到所述伺服电机的驱动，所述滑动齿轮与所述滚动轴连接，可在所述滚动轴的带动下与所述丝杆缸内筒沟槽相互啮合并旋进，促使所述丝杆电机推动所述丝杆。

18、进一步的，所述筒杆转动副由固定插销、固定球凹槽、通线孔、筒杆铰链构成，

19、所述筒杆转动副内设所述固定球凹槽，所述筒杆固定球、球形转动杆组成球状棒槌形连杆可卡入所述固定球凹槽，两个所述固定球凹槽可将所述球状棒槌形连杆封闭在所述筒杆转动副内，所述通线孔位于所述固定球凹槽靠近所述筒杆方向的顶端，用于通过电源数据线，所述筒杆铰链在所述筒杆固定球、所述球形转动杆被卡入所述固定球凹槽的过程中起到打开所述筒杆转动副或关闭所述筒杆转动副的作用，所述固定插销为所述筒杆转动副上垂直于所述固定球凹槽截面的通孔插销，所述固定插销的销轴能固定两个贴合的固定球凹槽。

20、借由以上的技术方案，本发明的有益效果如下：

21、1、本技术通过对柔性叶片的结构设计解决了叶轮叶片无法弯曲伸展、叶片无法扭转、叶片无法张大缩小以及叶轮轮毂锥度无法改变等形变问题，极大提高了叶轮的适用范围，尤其为实验研究减少大量时间及经济成本，生产上提高了生产效率和运行稳定性，增大了流体机械的工作区间及使用寿命；

22、2、本技术提出了柔性叶片通过独有的叶片骨架结构控制使柔性叶片姿态形状一定程度上自由变化的思路，在柔性叶轮叶片中的主动球关节采用球齿轮和伺服电机控制实现对伸缩杆体位置的调整，通过丝杆电机的推动伸缩杆体内的丝杆改变伸缩杆体的长度，整个过程实现了高质量的控制传动；

23、3、本技术对柔性叶片的传动控制方案的阐释，提供了行之有效的控制方法，将自动控制原理融入到流体机械设计中，为流体机械的控制研究提供了新的思路，通过绝对坐标系与相对坐标系的建立，阐明了计算机控制空间位姿计算的原理，为智能控制奠定了基础；

24、4、本技术为流体机械性能的研究提供了新的思路，通过同一叶轮即可完成各种特征参数变化的导致的性能差异研究，为教学展示和实验性能研究缩减经济成本和时间成本，提供了巨大便利；

25、5、本技术未来可应用于噪声优化、结构优化、新式结构性能探究，甚至能够引入智能优化算法和人工智能，通过叶片姿态的自由组合，发现适用于不同场景的最佳叶片设计方案。

26、为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。